專利名稱：壓縮空氣的儲能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及空氣儲能領(lǐng)域，具體涉及ー種壓縮空氣的儲能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從目前的科技發(fā)展水平來看，壓縮空氣儲能技術(shù)(CAES)和抽水蓄能技術(shù)是能夠?qū)?、現(xiàn)電能大規(guī)模儲存僅有的兩種技木。由于我國廣大的西部地區(qū)普遍干旱缺水，抽水蓄能技術(shù)暫無法采用，因此，壓縮空氣儲能技術(shù)成為我國，尤其是西部地區(qū)，對風電進行大規(guī)模儲存ロ隹一可以米用的技術(shù)。壓縮空氣儲能技術(shù)在國外已有30年以上的應(yīng)用和發(fā)展歷史，今天仍在安全運行。目前，在運行的電站有美國的阿拉巴馬州電カ公司在麥金托什(McIntosh)地區(qū)興建的壓縮空氣儲能電站和德國的Huntorf壓縮空氣儲能電站。根據(jù)國外壓縮空氣儲能電站熱力系統(tǒng)的技術(shù)特點和發(fā)展歷史，大致可劃分為兩代技術(shù)第一代電動機與發(fā)電機為同一電機，系統(tǒng)中不帶燃氣輪機，電機、壓縮機和氣體膨脹機實行共軸轉(zhuǎn)動，透平膨脹機進氣加熱由低壓透平膨脹機排氣余熱和補燃裝置共同完成。目前在運行的壓縮空氣系統(tǒng)均可歸為第一代壓縮空氣儲能技術(shù)，如圖I所示。其主要技術(shù)特點如下I.該系統(tǒng)采用直鏈結(jié)構(gòu)，壓縮機與氣體透平共軸，二者共用ー個電機，分別通過聯(lián)軸器與電機連接。在儲能過程中，氣體透平膨脹機與電機脫開，電機為電動機，拖動壓縮機工作，向地下儲氣洞穴輸送帶壓氣體；在發(fā)電過程中，壓縮機與電機脫開，電機為發(fā)電機，發(fā)電機在地下帶壓氣體的推動下推動氣體透平膨脹機，帶動發(fā)電機工作，向電網(wǎng)輸電。2.系統(tǒng)中壓縮機結(jié)構(gòu)采用的是水冷卻型中冷器和后冷卻器，并且未回收壓縮過程中氣體釋放的熱量。3.系統(tǒng)中未加裝燃氣透平。氣體透平膨脹機分為高壓氣體透平膨脹機和低壓氣體透平膨脹機，二者串級連接且同電機共軸。4.高壓氣體透平膨脹機進ロ被低壓氣體透平膨脹機排空氣體余熱加溫至600度。低壓氣體透平膨脹機進氣口前加裝外燃式加熱器，將氣體透平膨脹機進氣溫度加熱至800度。第二代如圖2所示壓縮機采用多機組并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，每臺壓縮機機組擁有獨立驅(qū)動電機，氣體膨脹機也采用多機組并聯(lián)，每臺機組擁有各自獨立的發(fā)電機，發(fā)電部分和壓縮部分完全獨立，在系統(tǒng)外加燃氣輪機機組，燃氣輪機排氣余熱被用于加熱氣體膨脹機的進氣，再輔以燃氣加熱器，使氣體膨脹機的進氣溫度達到設(shè)計要求。目前，世界上還未有一套壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用第二代壓縮空氣儲能技術(shù)在運行，僅僅對其進行了初歩的理論研究和分析。熱カ計算結(jié)果表明帶燃氣輪機的第二代壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有更高的能量裝換效率。但是，從系統(tǒng)圖2中可以看出，該系統(tǒng)要求外部必須有足夠的天然氣氣源，此外，其高效率還得益于把天然氣中所含有效能量進行了合理的分級使用，高溫熱量用于發(fā)電，排放燃燒產(chǎn)物的余熱用來加熱透平膨脹機進ロ氣體。氣體壓縮過程中所釋放的熱量通過冷卻水排空。缺點一代系統(tǒng)需要采用外部熱源向系統(tǒng)補充熱量，但未對壓縮過程中產(chǎn)生的熱量加以回收利用。此外，該系統(tǒng)由于未采用燃氣透平，燃料含有的有效能量未被充分利用；系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率不會很高；由于機組采用的是直連形式，主機(壓縮機和氣體透平膨脹機)選型 受限，不利于設(shè)備的批量化生產(chǎn)。ニ代系統(tǒng)中引入了燃氣輪機機組，利用燃氣輪機排氣余熱或者中間抽取高溫燃氣作為壓縮空加熱熱源，雖然系統(tǒng)的比效率與發(fā)電效率會大幅升高，但是需要大量的燃氣，這種壓縮空氣儲能電站不適合應(yīng)用在缺乏天然氣、或天然氣比較昂貴和缺水干旱地區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提出ー種新型的具有兩個儲罐、一個預(yù)膨脹器、一個回熱器壓縮空氣儲能系統(tǒng)，具體如下一種壓縮空氣的儲能系統(tǒng)，包括壓縮機組、透平膨脹機、中間冷卻器、電動機、發(fā)電機、熱水儲罐、冷水儲罐、預(yù)熱器、補燃式空氣加熱器；該系統(tǒng)利用用戶剩余電能通過電動機驅(qū)動壓縮機組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，冷卻水冷卻流經(jīng)中間冷卻器的高壓空氣，冷卻后的高壓空氣存儲在高壓儲氣礦洞中；熱水儲罐用于存儲中間冷卻器流出的熱水；發(fā)電時，預(yù)熱器中流過所述熱水對高壓儲氣礦洞中的高壓氣體進行預(yù)熱，預(yù)熱后的氣體通過補燃式空氣加熱器加熱，加熱后的氣體通過透平膨脹機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；冷水儲罐儲存所述預(yù)熱器產(chǎn)生的冷水。多個壓縮機組組成串級系統(tǒng)、且共用一個電動機；多個透平膨脹機組成的串級系統(tǒng)共用一個發(fā)電機。該系統(tǒng)還包括一個回熱器，連接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間。該系統(tǒng)還包括ー個預(yù)膨脹裝置預(yù)膨脹裝置連接到高壓儲氣礦洞對氣體進行預(yù)膨脹；發(fā)電時，預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體通過所述預(yù)熱器吸收熱水的熱量，熱水被冷卻后，被儲存冷水儲罐內(nèi)，并用這部分水冷卻壓縮機組；回熱器連接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間，空氣加熱器連接到透平膨脹機。該系統(tǒng)還包括兩個泵，一個連接在所述中間冷卻器和低溫蓄水容器之間，另ー個連接在高溫蓄水容器和預(yù)熱器之間。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的特點是在系統(tǒng)中加入了兩個儲罐、ー個預(yù)膨脹器、一個回熱器，壓縮空氣儲能系統(tǒng)與第一代和第二代儲能系統(tǒng)的最大區(qū)別在于最大限度地減低系統(tǒng)對外界排放熱量中所含的有效能量，回收壓縮機壓縮過程中放出的熱量。該系統(tǒng)可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。比第一代壓縮空氣儲能系統(tǒng)的理念更為先進，因為它充分利用了壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率比第一代要高2%左右。同第二代壓縮空氣儲能系統(tǒng)相比，其轉(zhuǎn)換效率壓低8%左右。其根本原因是該系統(tǒng)未加裝燃氣輪機，系統(tǒng)組成簡單。本發(fā)明的整個系統(tǒng)是ー個封閉系統(tǒng)，其中水分沒有流失，通過兩個儲罐對熱量儲存，完全回收沒有額外浪費。此外，該系統(tǒng)所需天然氣的量要比第二代少得多，最重要的是，該系統(tǒng)可以采用礦物質(zhì)燃料加熱，適用于干旱缺水地區(qū)。
綜上所述，本發(fā)明的壓縮空氣儲能技術(shù)特別適用于在缺乏天然氣、缺水干旱地區(qū)，我們提出ー種新型的第三代壓縮空氣儲能技木。


圖I是第一代壓縮空氣儲能系統(tǒng)。圖2是第二代壓縮空氣儲能系統(tǒng)。圖3是本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。圖中Cl，C2，C3，C4，C5是壓縮機；Τ1，Τ2是透平膨脹機;ΜΗ是高壓儲氣礦洞；IC1，IC2，IC3，IC4都是中間冷卻器;M是電動機；G是發(fā)電機；HST是熱水儲罐；CC是冷水儲罐；RPH是回熱器；HRH是預(yù)熱器；Boiller是空氣加熱器，PUMP I, PUMP2是水泵，PEX是預(yù)膨脹裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。如圖3所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括壓縮機Cl，C2, C3, C4，C5 ;透平膨脹機Tl，T2 ;中間冷卻器ICl，IC2，IC3，IC4 ；電動機M ;發(fā)電機G ;熱水儲罐HST ;冷水儲罐CC ;預(yù)膨脹裝置PEX ;熱水儲罐HST ;回熱器RPH ;空氣加熱器boilIer。該系統(tǒng)利用用戶用電低谷時期或風電場發(fā)電高峰時期用不完的電能驅(qū)動壓縮機組Cl，C2，C3，C4，C5工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，并經(jīng)過中間冷卻器IC1，IC2，IC3，IC4對高壓空氣進行冷卻，冷卻后的高壓空氣存儲在高壓儲氣礦洞MH中。熱水儲罐HST中存儲中間冷卻器IC1，IC2，IC3，IC4冷卻高壓氣體后產(chǎn)生熱水，用來預(yù)熱氣體透平膨脹機Tl，T2進氣。當需要發(fā)電吋，預(yù)膨脹裝置PEX對高壓儲氣礦洞MH中的冷卻高壓氣體進行膨脹，膨脹后的氣體為ー個具有穩(wěn)定氣壓的高壓氣體。膨脹后的氣體通過預(yù)熱器HRH進行預(yù)熱，預(yù)熱器HRH中流過所述熱水儲罐HST中存儲的熱水。回熱器RPH對預(yù)熱后的氣體進行回熱。回熱器RPH出ロ的氣體通過空氣加熱器boiller轉(zhuǎn)換為高溫高壓氣體，經(jīng)透平膨脹機Tl，T2使該氣體膨脹，以此膨脹功給發(fā)電機G提供能量。由于高壓氣體已經(jīng)通過儲存的熱水經(jīng)預(yù)熱器HRH進行預(yù)熱，因此，節(jié)約了空氣加熱器boiller所需的燃料。發(fā)電時預(yù)熱器HRH加熱高壓氣體產(chǎn)生的水通過冷水儲罐CC收集起來，并用這部分水冷卻壓縮機組,如此循環(huán)利用。該系統(tǒng)對水資源進行循環(huán)利用，適合在干旱缺水地區(qū)使用。圖3中在冷水儲罐CC和熱水儲罐HST的輸出端分別還接有水泵PUMP1，PUMP2用于提供水流循環(huán)的動力。此外，該系統(tǒng)還有ー個特點，壓縮機采用有獨立電機驅(qū)動的多級壓縮機機組，多個壓縮機組共用一個電動機M。氣體膨脹透平采用是高低壓透平組成的串級系統(tǒng)，共用ー個發(fā)電機G ;這樣可以使氣體膨脹透平進ロ溫度達到所需溫度，采用同第一代壓縮空儲能技術(shù)中一祥的回熱技術(shù)和燃燒加熱技木。燃料可以采用化石類燃料。
本發(fā)明采用兩個儲水罐和水泵組成的閉式水循環(huán)系統(tǒng)，不僅冷卻了壓縮機組，回收利用了壓縮機組工作過程中排放的熱能，而且冷卻水得到了循環(huán)利用，無蒸發(fā)損耗，從而，從根本上解決了在干旱缺水地區(qū)使用壓縮空氣儲能的問題。同時該發(fā)明中未使用同軸的膨脹機組和燃氣透平，這樣不僅降低了對設(shè)備的特殊性要求，而且可以用煤替代天然氣對高壓空氣加熱，因此該壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用在缺少天然氣、干旱 缺水地區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種壓縮空氣的儲能系統(tǒng)，其特征在于包括壓縮機組、透平膨脹機、中間冷卻器、電動機、發(fā)電機、熱水儲罐、冷水儲罐、預(yù)熱器、輔燃式空氣加熱器；該系統(tǒng)利用用戶剩余電能通過電動機驅(qū)動壓縮機組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，冷卻水冷卻流經(jīng)中間冷卻器的高壓空氣，冷卻后的高壓空氣存儲在高壓儲氣礦洞中；熱水儲罐用于存儲中間冷卻器流出的熱水；發(fā)電時，預(yù)熱器中流過所述熱水，對高壓儲氣礦洞中流向氣體透平的高壓氣體進行預(yù)熱，預(yù)熱后的氣體通過輔燃式空氣加熱器加熱，加熱后的氣體通過透平膨脹機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；冷水儲罐儲存所述預(yù)熱器產(chǎn)生的冷水。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括一個回熱器，連接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于多個壓縮機組組成串級系統(tǒng)、且共用一個電動機；多個透平膨脹機組成的串級系統(tǒng)共用一個發(fā)電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括一個預(yù)膨脹裝置，預(yù)膨脹裝置連接到高壓儲氣礦洞對氣體進行預(yù)膨脹；發(fā)電時，預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體通過所述預(yù)熱器吸收熱水的熱量，熱水被冷卻后，被儲存在冷水儲罐內(nèi)，并用這部分水冷卻壓縮機組；回熱器連接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間，空氣加熱器連接到透平膨脹機。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括兩個泵，一個連接在所述中間冷卻器和低溫蓄水容器之間，另一個連接在高溫蓄水容器和預(yù)熱器之間。
全文摘要
一種壓縮空氣的儲能系統(tǒng)，包括壓縮機組、預(yù)膨脹裝置、透平膨脹機、中間冷卻器、電動機、發(fā)電機、熱水儲罐、冷水儲罐；該系統(tǒng)利用用戶用電低谷時期或風電場發(fā)電高峰時期用不完的電能驅(qū)動壓縮機組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓，并將這部分富含壓力能的空氣儲存于耐高壓洞穴中。并在用戶用電高峰時期或風電場發(fā)電低谷時期，將儲存的高壓空氣釋放出來，推動膨脹機組做功，輸出電能。在儲氣室出口加裝有氣體預(yù)膨脹裝置，使氣體透平膨脹機進氣壓力穩(wěn)定，增加發(fā)電系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；利用預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體，冷卻來自熱水儲罐的熱水，低溫氣體因吸收來至熱水的熱量而升溫，被冷卻的水進入冷水儲罐。本發(fā)明具有熱水儲罐和冷水儲罐，水在閉合回路中被反復(fù)循環(huán)使用，不消耗水，且壓縮機排熱量被全部利用送回到預(yù)膨脹裝置出口的高壓空氣。預(yù)膨脹裝置出口的高壓空氣通過回熱器HRH回收。
文檔編號F01D15/10GK102661175SQ201210153370
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者孫中國, 席光, 毛義軍, 王麗琴, 王煥然, 程鵬 申請人:西安交通大學